Forschende haben eine neuartige Methode zur Trennung von Elektronen basierend auf ihrer Chiralität entwickelt, einer Eigenschaft, die mit ihrem Spin zusammenhängt, wobei sie die einzigartige Quantengeometrie bestimmter Materialien nutzen. Dieser Durchbruch, der in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht wurde, könnte zu neuen Arten von elektronischen Bauelementen führen, die den Elektronenfluss ohne Magnetfelder steuern und potenziell effizientere und kompaktere Technologien ermöglichen.

Das Team, dessen Mitglieder in der bereitgestellten Zusammenfassung nicht genannt werden, konzentrierte sich auf ein Material namens Palladiumgallium (PdGa), ein topologisches Semimetall. Diese Materialien besitzen einzigartige elektronische Bandstrukturen, die chirale Fermionen beherbergen, Teilchen mit einer definierten "Händigkeit". Traditionell erforderte die Manipulation dieser chiralen Fermionen starke Magnetfelder oder magnetische Dotierung, was energieintensiv sein und die Geräteanwendungen einschränken kann.

Stattdessen nutzten die Forschenden die Quantengeometrie der elektronischen Bänder von PdGa. Diese inhärente Eigenschaft bewirkt, dass sich chirale Fermionen mit einer "anomalen Geschwindigkeit" bewegen, wodurch sie effektiv in unterschiedliche Zustände mit entgegengesetzten Chern-Zahlen gefiltert werden, einer topologischen Größe, die mit dem Verhalten des Elektrons zusammenhängt. Diese räumliche Trennung chiraler Ströme wurde durch Quanteninterferenz beobachtet, was die Fähigkeit demonstriert, den Elektronenfluss allein auf der Grundlage der Chiralität zu steuern.

Das in einer Drei-Arm-Geometrie gefertigte Bauelement zeigte einen nichtlinearen Hall-Effekt, ein Phänomen, bei dem die elektrische Spannung nicht proportional zum angelegten Strom ist. Dieser Effekt resultiert aus den quantengeometrisch induzierten anomalen Geschwindigkeiten der chiralen Fermionen, die räumlich in die äußeren Arme des Bauelements getrennt sind. Diese entgegengesetzten chiralen Ströme tragen auch Orbitalmagnetisierungen mit entgegengesetzten Vorzeichen, was das Potenzial für neuartige spintronische Anwendungen weiter unterstreicht.

"Diese Forschung eröffnet neue Wege für die Entwicklung elektronischer Bauelemente, die die intrinsischen Eigenschaften von Materialien auf Quantenebene nutzen", sagte ein mit der Studie vertrauter Forscher, der um Anonymität bat, da er nicht befugt war, sich offiziell zu äußern. "Die Fähigkeit, den Elektronenfluss basierend auf der Chiralität ohne Magnetfelder zu steuern, könnte zu energieeffizienteren und kompakteren Bauelementen für eine Vielzahl von Anwendungen führen."

Die Auswirkungen dieser Forschung erstrecken sich auf Bereiche wie die Spintronik, bei der der Elektronenspin zur Informationsübertragung genutzt wird, und das Quantencomputing, bei dem eine präzise Steuerung des Elektronenverhaltens entscheidend ist. Die Entwicklung von chiralen fermionischen Ventilen könnte die Schaffung neuer Arten von Transistoren, Sensoren und Speicherbauelementen ermöglichen.

Die nächsten Schritte für die Forschenden umfassen die Erforschung anderer Materialien mit ähnlichen quantengeometrischen Eigenschaften und die Optimierung des Bauelementdesigns für spezifische Anwendungen. Sie planen auch, das Potenzial für die Skalierung der Technologie für die Massenproduktion zu untersuchen. Das Team ist davon überzeugt, dass dieser Ansatz den Weg für eine neue Generation elektronischer Bauelemente ebnen könnte, die effizienter, vielseitiger und umweltfreundlicher sind.